A kémiai áramforrások (rövidítve HIT) olyan eszközök, amelyekben a redoxreakció energiája elektromos energiává alakul. Másik nevük: elektrokémiai cella, galvánelem, elektrokémiai cella. Működésük elve a következő: két reagens kölcsönhatásának eredményeként kémiai reakció megy végbe az egyenáramból származó energia felszabadulásával. Más áramforrásokban a villamosenergia-termelés folyamata többlépcsős séma szerint történik. Először hőenergia szabadul fel, majd mechanikai energiává, majd csak ezután alakul át elektromos energiává. A HIT előnye az egylépcsős folyamat, vagyis a villamos energia azonnali beszerzése, megkerülve a hő- és mechanikai energiaszerzés szakaszait.
Előzmények
Hogyan jelentek meg az első aktuális források? A kémiai forrásokat galvanikus celláknak nevezik a tizennyolcadik század olasz tudósa - Luigi Galvani - tiszteletére. Orvos, anatómus, fiziológus és fizikus volt. Egyik irányaa kutatás az állatok különféle külső hatásokra adott reakcióinak tanulmányozása volt. Az elektromos áram előállításának kémiai módszerét Galvani véletlenül fedezte fel, az egyik békán végzett kísérlet során. Két fémlemezt csatlakoztatott a békacomb szabadon lévő idegéhez. Ez izomösszehúzódást eredményezett. Galvani saját magyarázata erre a jelenségre helytelen volt. Kísérleteinek és megfigyeléseinek eredményei azonban segítették honfitársát, Alessandro Voltát a későbbi tanulmányokban.
Volta írásaiban felvázolta a béka izomszövetével érintkező két fém közötti kémiai reakció eredményeként létrejövő elektromos áram elméletét. Az első kémiai áramforrás úgy nézett ki, mint egy sóoldat-tartály, benne cink- és rézlemezekkel.
A HIT-et a tizenkilencedik század második felében kezdték el ipari méretekben gyártani, köszönhetően a francia Leclanche-nak, aki feltalálta a róla elnevezett, sós elektrolitos elsődleges mangán-cink cellát. Néhány évvel később ezt az elektrokémiai cellát egy másik tudós továbbfejlesztette, és 1940-ig az egyetlen elsődleges kémiai áramforrás volt.
Dizájn és működési elv HIT
A kémiai áramforrások eszköze két elektródát (az első típusú vezetőt) és a közöttük elhelyezkedő elektrolitot (második típusú vezető vagy ionos vezető) tartalmaz. A köztük lévő határon elektronikus potenciál keletkezik. Az elektród, amelyen a redukálószer oxidálódikanódnak, azt pedig, amelyen az oxidálószer redukálódik, katódnak nevezzük. Az elektrolittal együtt alkotják az elektrokémiai rendszert.
Az elektródák közötti redoxreakció mellékterméke az elektromos áram keletkezése. Egy ilyen reakció során a redukálószer oxidálódik, és elektronokat ad át az oxidálószernek, amely elfogadja azokat, és ezáltal redukálódik. Az elektrolit jelenléte a katód és az anód között a reakció szükséges feltétele. Ha egyszerűen összekever két különböző fém porát, nem szabadul fel elektromosság, az összes energia hő formájában szabadul fel. Elektrolitra van szükség az elektrontranszfer folyamatának racionalizálásához. Leggyakrabban sóoldat vagy olvadék.
Az elektródák fémlemezeknek vagy rácsoknak tűnnek. Amikor elektrolitba merülnek, elektromos potenciálkülönbség keletkezik közöttük - nyitott áramköri feszültség. Az anód hajlamos elektronokat adni, míg a katód hajlamos elfogadni azokat. Felületükön kémiai reakciók kezdődnek. Leállnak az áramkör nyitásakor, és akkor is, ha az egyik reagens elfogy. Az áramkör megszakad, ha az egyik elektródát vagy elektrolitot eltávolítják.
Elektrokémiai rendszerek összetétele
A vegyi áramforrások oxidálószerként oxigéntartalmú savakat és sókat, oxigént, halogenideket, magasabb fém-oxidokat, nitroorganikus vegyületeket stb. használnak, redukálószerként a fémek és rövidebb oxidjaik, a hidrogén.és szénhidrogén vegyületek. Az elektrolitok felhasználása:
- Savak, lúgok, sóoldatok stb. vizes oldatai
- Ionos vezetőképességű, nem vizes oldatok, amelyeket sók szerves vagy szervetlen oldószerekben való feloldásával nyernek.
- Olvadt sók.
- Szilárd vegyületek ionrácstal, amelyben az egyik ion mozgékony.
- Matrix elektrolitok. Ezek folyékony oldatok vagy olvadékok, amelyek egy szilárd, nem vezetőképes test pórusaiban helyezkednek el – egy elektronhordozó.
- Ioncserélő elektrolitok. Ezek szilárd vegyületek azonos előjelű rögzített ionogén csoportokkal. A másik jel ionjai mozgékonyak. Ez a tulajdonság az ilyen elektrolit vezetőképességét egypólusúvá teszi.
Galvanikus elemek
A kémiai áramforrások galvánelemekből – cellákból – állnak. Az egyik cellában a feszültség kicsi - 0,5-4 V. Igény szerint a HIT-ben galvanikus akkumulátort alkalmaznak, amely több sorba kapcsolt cellából áll. Néha több elem párhuzamos vagy soros-párhuzamos összekapcsolását alkalmazzák. A soros áramkörben mindig csak azonos primer cellák vagy akkumulátorok találhatók. Ugyanolyan paraméterekkel kell rendelkezniük: elektrokémiai rendszer, kialakítás, technológiai lehetőség és szabványos méret. Párhuzamos csatlakozáshoz elfogadható a különböző méretű elemek használata.
HIT besorolás
A vegyi áramforrások a következőkben különböznek:
- méret;
- design;
- reagensek;
- az energiaképző reakció természete.
Ezek a paraméterek határozzák meg az adott alkalmazáshoz megfelelő HIT teljesítménytulajdonságokat.
Az elektrokémiai elemek osztályozása a készülék működési elvének különbségén alapul. Ezektől a jellemzőktől függően megkülönböztetik:
- Az elsődleges kémiai áramforrások eldobható elemek. Van egy bizonyos reagenskészletük, amelyet a reakció során elfogyasztanak. A teljes kisütés után az ilyen cella elveszíti funkcionalitását. Más módon az elsődleges HIT-eket galvanikus celláknak nevezik. Helyes lesz őket egyszerűen elemnek nevezni. Az elsődleges áramforrás legegyszerűbb példái az "elemek" A-A.
- Újratölthető kémiai áramforrások – az akkumulátorok (másodlagos, reverzibilis HIT-nek is nevezik) újrafelhasználható cellák. Egy külső áramkörből ellentétes irányú áramot vezetve át az akkumulátoron, a teljes kisütés után az elhasznált reagensek regenerálódnak, ismét kémiai energiát halmozva fel (töltés). Köszönhetően a külső állandó áramforrásról történő újratöltésnek, ez az eszköz hosszú ideig használható, szünetekkel az újratöltéshez. Az elektromos energia előállításának folyamatát akkumulátorkisülésnek nevezzük. Az ilyen HIT-ek közé tartoznak számos elektronikus eszköz (laptopok, mobiltelefonok stb.) akkumulátorai.
- Hőkémiai áramforrások - folyamatos berendezések. NÁL NÉLmunkájuk során folyamatos az új reagens adagok áramlása és a reakciótermékek eltávolítása.
- A kombinált (féltüzelésű) galvanikus cellákban van készlet az egyik reagensből. A második kívülről kerül a készülékbe. A készülék élettartama az első reagens mennyiségétől függ. Akkumulátorként kombinált kémiai elektromos áramforrásokat használnak, ha lehetséges a töltésük helyreállítása külső forrás áramának átadásával.
- HIT megújuló, mechanikusan vagy kémiailag újratölthető. Számukra lehetőség van a kimerült reagensek új adagokkal való cseréjére a teljes kiürítés után. Azaz nem folyamatos eszközök, hanem az akkumulátorokhoz hasonlóan időszakosan töltik őket.
HIT-funkciók
A vegyi áramforrások fő jellemzői a következők:
- Nyitott áramköri feszültség (ORC vagy kisülési feszültség). Ez a mutató elsősorban a választott elektrokémiai rendszertől (redukálószer, oxidálószer és elektrolit kombinációja) függ. Ezenkívül az NRC-t befolyásolja az elektrolit koncentrációja, a kisülés mértéke, a hőmérséklet és egyebek. Az NRC a HIT-en áthaladó áram értékétől függ.
- Tápellátás.
- Kisütőáram - a külső áramkör ellenállásától függ.
- Kapacitás – a maximális árammennyiség, amelyet a HIT ad le, amikor teljesen lemerült.
- Teljesítménytartalék – az eszköz teljes lemerülése után kapott maximális energia.
- Energia jellemzői. Az akkumulátorok esetében ez mindenekelőtt a töltési-kisütési ciklusok garantált számát jelenti a kapacitás vagy a töltési feszültség (erőforrás) csökkentése nélkül.
- Hőmérséklet-működési tartomány.
- Az eltarthatósági idő a gyártás és a készülék első kisütése közötti maximális megengedett idő.
- Hasznos élettartam – a maximálisan megengedett teljes tárolási és működési időtartam. Az üzemanyagcellák esetében a folyamatos és szakaszos élettartam számít.
- Az élettartam során szétszórt teljes energia.
- Mechanikai szilárdság vibráció, ütés stb. ellen.
- Képes bármilyen pozícióban dolgozni.
- Megbízhatóság.
- Könnyű karbantartás.
HIT Követelmények
Az elektrokémiai cellák kialakításának olyan feltételeket kell biztosítania, amelyek elősegítik a leghatékonyabb reakciót. Ezek a feltételek a következők:
- áramszivárgás megelőzése;
- akár munka;
- mechanikai szilárdság (beleértve a tömítettséget is);
- reagensek szétválasztása;
- jó érintkezés az elektródák és az elektrolit között;
- áram disszipációja a reakciózónából a külső kivezetés felé minimális veszteséggel.
A vegyi áramforrásoknak meg kell felelniük a következő általános követelményeknek:
- egyes paraméterek legmagasabb értékei;
- maximális üzemi hőmérséklet-tartomány;
- a legnagyobb feszültség;
- minimális költségenergiaegységek;
- feszültségstabilitás;
- töltésbiztonság;
- biztonság;
- egyszerű karbantartás, és ideális esetben nincs is rá szükség;
- hosszú élettartam.
Exploitation HIT
A primer galvanikus cellák fő előnye, hogy nem igényelnek karbantartást. Mielőtt elkezdené használni őket, elég ellenőrizni a megjelenést, a lejárati időt. Csatlakoztatáskor fontos figyelni a polaritást és ellenőrizni az eszköz érintkezőinek integritását. A bonyolultabb kémiai áramforrások - akkumulátorok - komolyabb ellátást igényelnek. Karbantartásuk célja élettartamuk maximalizálása. Az akkumulátor gondozása:
- tarts tisztán;
- nyitott áramköri feszültségfigyelés;
- az elektrolitszint fenntartása (csak desztillált víz használható a feltöltéshez);
- elektrolitkoncentráció szabályozása (hidrométerrel – egy egyszerű eszköz a folyadékok sűrűségének mérésére).
A galvánelemek üzemeltetésekor az elektromos készülékek biztonságos használatára vonatkozó összes követelményt be kell tartani.
HIT osztályozása elektrokémiai rendszerek szerint
A kémiai áramforrások típusai a rendszertől függően:
- ólom (sav);
- nikkel-kadmium, nikkel-vas, nikkel-cink;
- mangán-cink, réz-cink, higany-cink, cink-klorid;
- ezüst-cink, ezüst-kadmium;
- levegő-fém;
- nikkel-hidrogén és ezüst-hidrogén;
- mangán-magnézium;
- lítium stb.
A HIT modern alkalmazása
A vegyi áramforrások jelenleg használatosak:
- járművek;
- hordozható készülékek;
- katonai és űrtechnológia;
- tudományos felszerelés;
- gyógyászat (pacemakerek).
A HIT szokásos példái a mindennapi életben:
- elemek (szárazelemek);
- elemek hordozható háztartási gépekhez és elektronikai cikkekhez;
- szünetmentes tápegységek;
- autó akkumulátorok.
A lítium kémiai áramforrásokat különösen széles körben használják. Ennek az az oka, hogy a lítium (Li) rendelkezik a legmagasabb fajlagos energiával. Az a tény, hogy az összes többi fém közül ennek van a legnegatívabb elektródpotenciálja. A lítium-ion akkumulátorok (LIA) fajlagos energia és üzemi feszültség tekintetében minden más CPS előtt állnak. Most fokozatosan sajátítanak el egy új területet - a közúti közlekedést. A jövőben a lítium akkumulátorok fejlesztésével kapcsolatos tudósok fejlesztése az ultravékony kialakítás és a nagy, nagy teljesítményű akkumulátorok felé fog elmozdulni.
